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摘要:本文对电力负荷管理系统通信需求的特殊性及现有负荷管理终端产品进行了分析,针对现有负荷控制终端产品中存在的价格较高、体积庞大、数据安全性考虑不多等不足,给出了在McWiLL无线Modem中电力负荷通信规约的实现方案。
关键词:McWiLL;负控通信规约;电力负荷管理终端;无线Modem
随着经济发展及人们生活水平的提高,用电结构的需求不断发生变化,不可避免地出现了供电紧张的情况。在目前,是否能够有效控制现有用户用电负荷仍然是解决供电紧张的关键。现代化管理不断深入,电力负荷管理系统作为电力需求侧管理的重要技术手段,已越来越显示出它的实用价值,其推广和应用的程度从某种意义上反映了电力需求侧管理的现代化水平。同时不断发展的计算机及通讯技术为电力负荷管理系统新功能的扩展提供了有力的支持,新技术的不断出现,极大方便了系统功能扩展。而作为整个电力负荷管理系统中最为核,心的部分——负荷控制终端,在整个系统中起着至关重要的作用。
一、McWiLL无线Modem的概述
1.McWiLL技術简介
McWiLL(Multi-Carrier Wireless Information LocalLoop,多载波无线信息本地环路)是在现有大规模商用的窄带SCDMA技术的基础上,国内自主研发的集智能天线、CS-OFDMA无线接入多址技术、增强零陷、信道跟踪和预测、动态信道分配、频空联合检测等核心技术为一体的宽带无线通信系统,支持用户在数据业务上的移动、漫游、切换等功能。从全球来看,McWiLL与WiMAX在技术性能和业务应用领域的差别不大,在国内市场有其独特的优势,如频率资源、市场基础等。因此McWiLL的发展重点将主要在国内市场,同时McWiLL主要立足于专网应用,特别适合于电力系统的行业特点。
2.Modem概述
Modem其实是Modulator(调制器)与Demodulator(解调器)的简称,中文称为调制解调器。根据Modem的谐音,通常称之为“猫”。基于McWiLL的无线Modem采用大唐微电子DTT6C01B双内核芯片,通过McWiLL的网络系统进行通信,该Modem应该具备以下功能。
(1)正确接收主站指令。负控规约在Modem中的实现需要Modem正确接收从系统主站发出的指令。
(2)指令解析。Modem需要对接收到的指令按照负控通信规约的规定进行规约解析。解析后将系统的指令传达给终端,并执行其指令。
(3)数据传输。能够接收主站的命令,并按照主站要求,定时或随机向主站发送终端采集和存储的各类信息。当有突发事件时,及时向系统主站反馈信息。
二、Modem的软件设计
1.软件开发环境
本设计的软件开发是在Nucleus PLUS操作系统下完成的。Nucleus PLUS嵌入式操作系统是目前最受欢迎的操作系统。Nucleus PLUS是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核,其95%的代码是用ANSIC写成的,因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。从实现角度来看,Nucleus PLUS是一组c函数库,应用程序代码与核心函数库连接在一起,生成一个目标代码,下载到目标板的RAM中或直接烧录到目标板的ROM中执行。
在典型的目标环境中,Nucleus PLUS核心代码区一般不超过20K字节大小。NucleusPLUS采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的,通常由几个c及汇编语言模块构成,提供清晰的外部接口,对组件的引用就是通过这些接口完成的。除了少数一些特殊情况外,不允许从外部对组件内的全局进行访问。由于采用了软件组件的方法,Nucleus PLUS各个组件非常易于替换和复用。Nucleus PLUS的组件包括任务控制、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器及I/o驱动等。
2.Modem主程序设计
系统的软件应根据系统功能要求进行设计,按照系统功能划分为各个模块。每个模块功能相对独立,各模块之间做到条理清晰、调用关系明确,同时便于修改、调试和扩充。相同或相近的功能模块尽量放在同一个模块中,避免模块交叉带来程序结构的混乱。按照系统功能将软件设计分为以下若干模块,其结构如图1所示。
系统软件由交流采样模块、通信模块、抄表模块、数据存储模块、规约解析模块、外围扩展模块等构成。各个功能模块必须通过有机的结合,才能成为一个满足系统要求的软件程序。
3.抄表程序设计
抄表功能是终端的重要功能之一。系统通过RS-485接口,定时完成对电能表数据的抄读,并将抄读到的电能表数据保存以供主站查询;同时,系统还能将主站下发的电能表设置命令转发给电能表,实现远方设表。抄表的通信过程遵循的是645规约。
抄表模块的初始化主要完成对时钟和串口等的初始化,各工作单元的定义,对串口、定时器进行工作方式的设定等。调用相应的处理模块,对上下通道的数据通信任务进行调度和协调。
4.数据存储程序设计
国家电网公司企业标准Q/GDW 130-2005《电力负荷管理系统数据传输规约》附录中共规定了23种数据格式,系统在进行数据存储时应严格按照该格式操作。存储的难点在于保存的数据是否能够方便地读取。必须保证数据存储位置的正确,不会发生数据存储和读取的混乱,同时便于查询数据。
根据系统存储数据的要求,首先将Modem的Flash存储器分为两大部分。第一部分用于建立数据指针列表,即指针数据区,第二部分用来存储真正的数据,即历史数据区。历史数据区又分为两大部分:一部分是历史日数据区,另一部分为历史月数据及事件数据区。因此相应的指针数据也可分为两大部分。系统每日得到的实时和当前数据都存储在历史日数据区中。
三、负控规约的实现
1.规约概述
随着用电管理自动化、信息化和智能化的发展,电力负荷管理系统需求发生重大变动,传输规约也在不断地变化和发展。国际和国内使用的传输规约多种多样,为了实现规约的标准化,国际电工委员会TC-57技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准,并在此基础上制定了IEC60870-5系列规约。电力负荷管理系统数据传输规约Q/GDW 130-2005(以下简称传输规约)遵从GB/T18657(等同IEC60870-5)推荐的传输规约模式,采用3层增强型结构,适用于平衡式和非平衡式的通信网络。为了提高通信的实时性,采用了只有物理层、数据链路层、应用层3层的增强性规约结构,加强了信息的实时性。在点对点和多个点对点的全双工配置下,此配套标准可以采用平衡式传输以发挥其内在潜力。
2.传输帧格式
传输规约采用GB/T18657.1的6.2.4FTl.2异步传输帧格 式,定义如图2所示。
传输规则遵循线路空闲状态为二进制1;帧的字符之间无线路空闲间隔;两帧之间的线路空闲间隔最少需33位;如果检测出了差错,两帧之间的线路空闲间隔最少需33位;帧校验和CS是用户数据区的八位位组的算术和,不考虑进位位;接收方校验每个字符的启动位、停止位、偶校验位等。
若这些校验有一个失败,含弃此帧;若无差错,则此帧数据有效。由上图可见,在传输帧格式中,起始字符68H定义了帧数据流内的起始点,长度L定义了数据帧整体的长度,包括规约标志和用户数据长度,由2个字节组成。其中长度L的低2位规约标志编码表示了规约的信息,用户数据长度L1采用BIN编码,是控制域、地址域、链路用户数据的字节总数。
3.规约整体设计
规约对参考模型的分层并没有详细提及,但在软件设计时必须首先对整个规约进行明确的层次划分。结合McWiLL网络的分层方法,本设计按照从上到下的顺序将整个规约分为以下3层。其层次结构如图3所示。
各层的功能主要如下:
(1)应用层:主要定义的是应用级上的协议,在这一级上不用考虑帧序号,通过服务原语由数据链路层提供命令和应答之间的对应关系。
(2)链路层:主要是对数据传输规约进行解析,即完成组帧和解帧的过程。负责虚拟或实际链路的建立、维持和拆除,由字节串组成的数据帧的拆分和组装,帧完整性检验,错误重发,以及命令和应答之间的对应机制。
(3)物理层:该层主要是指逻辑链路层数据在不同物理媒体上通信的规则。该层主要处理接口和传输介质的通信规则,还定义物理設备和接口在传输时必须执行的过程和功能。本设计由于采用McWiLL网络进行数据传输,因此是McWiLL数据包的传输规则。
4.规约解析设计与实现
在启动站与从动站进行数据传输时,需要经过一定的传输规则建立链接。因此规约的软件实现必须首先确定数据的传输服务类别。启动站与从动站通信的过程中,需要经过链路的传输。规约规定的传输服务类别共有3种,如表1所示。
5.数据在McWiLL网络中的传输
电力数据在McWiLL网络中的传输是通过在Nucleus操作系统下完成的,通过调用AT指令来实现通信。其通信网络结构如图4所示。
Nucleus PLUS嵌入式操作系统是目前最受欢迎的操作系统。Nucleus PLUS是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核,其95%的代码是用ANSIC写成的,因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。从实现角度来看,Nucleus PLUS是一组C函数库,应用程序代码与核心函数库连接在一起,生成一个目标代码,下载到目标板的RAM中或直接烧录到目标板的ROM中执行。
四、结束语
本文对现有电力负荷管理终端产品及其通信方式进行了分析。针对现有终端产品中存在的价格较高、体积庞大、数据安全性考虑不多等不足,引入了McWiLL无线宽带通信技术。设计y--种符合电力负荷管理系统数据传输规约的Modem模块。该模块具有结构小巧、内部模块高集成化等特点。同时采用McWiLL无线网络技术保证了数据传输的可靠性、安全性、实时性,具有良好的推广价值。
参考文献:
[1]温斌,林波,刘昀,江连山,李晓茜,McWiL境带无线接入技术及应用[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[2]中华人民共和国国家电网公司电力负荷管理系统通用技术条件(q)aDW 129--2005)[M].北京:中国电力出版社,2006.
[3]中华人民共和国国家电网公司电力负荷管理系统数据传输规约(Q/GDW T50-2005)[M].北京:中国电力出版社,2008. (责任编辑:麻剑飞)
关键词:McWiLL;负控通信规约;电力负荷管理终端;无线Modem
随着经济发展及人们生活水平的提高,用电结构的需求不断发生变化,不可避免地出现了供电紧张的情况。在目前,是否能够有效控制现有用户用电负荷仍然是解决供电紧张的关键。现代化管理不断深入,电力负荷管理系统作为电力需求侧管理的重要技术手段,已越来越显示出它的实用价值,其推广和应用的程度从某种意义上反映了电力需求侧管理的现代化水平。同时不断发展的计算机及通讯技术为电力负荷管理系统新功能的扩展提供了有力的支持,新技术的不断出现,极大方便了系统功能扩展。而作为整个电力负荷管理系统中最为核,心的部分——负荷控制终端,在整个系统中起着至关重要的作用。
一、McWiLL无线Modem的概述
1.McWiLL技術简介
McWiLL(Multi-Carrier Wireless Information LocalLoop,多载波无线信息本地环路)是在现有大规模商用的窄带SCDMA技术的基础上,国内自主研发的集智能天线、CS-OFDMA无线接入多址技术、增强零陷、信道跟踪和预测、动态信道分配、频空联合检测等核心技术为一体的宽带无线通信系统,支持用户在数据业务上的移动、漫游、切换等功能。从全球来看,McWiLL与WiMAX在技术性能和业务应用领域的差别不大,在国内市场有其独特的优势,如频率资源、市场基础等。因此McWiLL的发展重点将主要在国内市场,同时McWiLL主要立足于专网应用,特别适合于电力系统的行业特点。
2.Modem概述
Modem其实是Modulator(调制器)与Demodulator(解调器)的简称,中文称为调制解调器。根据Modem的谐音,通常称之为“猫”。基于McWiLL的无线Modem采用大唐微电子DTT6C01B双内核芯片,通过McWiLL的网络系统进行通信,该Modem应该具备以下功能。
(1)正确接收主站指令。负控规约在Modem中的实现需要Modem正确接收从系统主站发出的指令。
(2)指令解析。Modem需要对接收到的指令按照负控通信规约的规定进行规约解析。解析后将系统的指令传达给终端,并执行其指令。
(3)数据传输。能够接收主站的命令,并按照主站要求,定时或随机向主站发送终端采集和存储的各类信息。当有突发事件时,及时向系统主站反馈信息。
二、Modem的软件设计
1.软件开发环境
本设计的软件开发是在Nucleus PLUS操作系统下完成的。Nucleus PLUS嵌入式操作系统是目前最受欢迎的操作系统。Nucleus PLUS是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核,其95%的代码是用ANSIC写成的,因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。从实现角度来看,Nucleus PLUS是一组c函数库,应用程序代码与核心函数库连接在一起,生成一个目标代码,下载到目标板的RAM中或直接烧录到目标板的ROM中执行。
在典型的目标环境中,Nucleus PLUS核心代码区一般不超过20K字节大小。NucleusPLUS采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的,通常由几个c及汇编语言模块构成,提供清晰的外部接口,对组件的引用就是通过这些接口完成的。除了少数一些特殊情况外,不允许从外部对组件内的全局进行访问。由于采用了软件组件的方法,Nucleus PLUS各个组件非常易于替换和复用。Nucleus PLUS的组件包括任务控制、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器及I/o驱动等。
2.Modem主程序设计
系统的软件应根据系统功能要求进行设计,按照系统功能划分为各个模块。每个模块功能相对独立,各模块之间做到条理清晰、调用关系明确,同时便于修改、调试和扩充。相同或相近的功能模块尽量放在同一个模块中,避免模块交叉带来程序结构的混乱。按照系统功能将软件设计分为以下若干模块,其结构如图1所示。
系统软件由交流采样模块、通信模块、抄表模块、数据存储模块、规约解析模块、外围扩展模块等构成。各个功能模块必须通过有机的结合,才能成为一个满足系统要求的软件程序。
3.抄表程序设计
抄表功能是终端的重要功能之一。系统通过RS-485接口,定时完成对电能表数据的抄读,并将抄读到的电能表数据保存以供主站查询;同时,系统还能将主站下发的电能表设置命令转发给电能表,实现远方设表。抄表的通信过程遵循的是645规约。
抄表模块的初始化主要完成对时钟和串口等的初始化,各工作单元的定义,对串口、定时器进行工作方式的设定等。调用相应的处理模块,对上下通道的数据通信任务进行调度和协调。
4.数据存储程序设计
国家电网公司企业标准Q/GDW 130-2005《电力负荷管理系统数据传输规约》附录中共规定了23种数据格式,系统在进行数据存储时应严格按照该格式操作。存储的难点在于保存的数据是否能够方便地读取。必须保证数据存储位置的正确,不会发生数据存储和读取的混乱,同时便于查询数据。
根据系统存储数据的要求,首先将Modem的Flash存储器分为两大部分。第一部分用于建立数据指针列表,即指针数据区,第二部分用来存储真正的数据,即历史数据区。历史数据区又分为两大部分:一部分是历史日数据区,另一部分为历史月数据及事件数据区。因此相应的指针数据也可分为两大部分。系统每日得到的实时和当前数据都存储在历史日数据区中。
三、负控规约的实现
1.规约概述
随着用电管理自动化、信息化和智能化的发展,电力负荷管理系统需求发生重大变动,传输规约也在不断地变化和发展。国际和国内使用的传输规约多种多样,为了实现规约的标准化,国际电工委员会TC-57技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准,并在此基础上制定了IEC60870-5系列规约。电力负荷管理系统数据传输规约Q/GDW 130-2005(以下简称传输规约)遵从GB/T18657(等同IEC60870-5)推荐的传输规约模式,采用3层增强型结构,适用于平衡式和非平衡式的通信网络。为了提高通信的实时性,采用了只有物理层、数据链路层、应用层3层的增强性规约结构,加强了信息的实时性。在点对点和多个点对点的全双工配置下,此配套标准可以采用平衡式传输以发挥其内在潜力。
2.传输帧格式
传输规约采用GB/T18657.1的6.2.4FTl.2异步传输帧格 式,定义如图2所示。
传输规则遵循线路空闲状态为二进制1;帧的字符之间无线路空闲间隔;两帧之间的线路空闲间隔最少需33位;如果检测出了差错,两帧之间的线路空闲间隔最少需33位;帧校验和CS是用户数据区的八位位组的算术和,不考虑进位位;接收方校验每个字符的启动位、停止位、偶校验位等。
若这些校验有一个失败,含弃此帧;若无差错,则此帧数据有效。由上图可见,在传输帧格式中,起始字符68H定义了帧数据流内的起始点,长度L定义了数据帧整体的长度,包括规约标志和用户数据长度,由2个字节组成。其中长度L的低2位规约标志编码表示了规约的信息,用户数据长度L1采用BIN编码,是控制域、地址域、链路用户数据的字节总数。
3.规约整体设计
规约对参考模型的分层并没有详细提及,但在软件设计时必须首先对整个规约进行明确的层次划分。结合McWiLL网络的分层方法,本设计按照从上到下的顺序将整个规约分为以下3层。其层次结构如图3所示。
各层的功能主要如下:
(1)应用层:主要定义的是应用级上的协议,在这一级上不用考虑帧序号,通过服务原语由数据链路层提供命令和应答之间的对应关系。
(2)链路层:主要是对数据传输规约进行解析,即完成组帧和解帧的过程。负责虚拟或实际链路的建立、维持和拆除,由字节串组成的数据帧的拆分和组装,帧完整性检验,错误重发,以及命令和应答之间的对应机制。
(3)物理层:该层主要是指逻辑链路层数据在不同物理媒体上通信的规则。该层主要处理接口和传输介质的通信规则,还定义物理設备和接口在传输时必须执行的过程和功能。本设计由于采用McWiLL网络进行数据传输,因此是McWiLL数据包的传输规则。
4.规约解析设计与实现
在启动站与从动站进行数据传输时,需要经过一定的传输规则建立链接。因此规约的软件实现必须首先确定数据的传输服务类别。启动站与从动站通信的过程中,需要经过链路的传输。规约规定的传输服务类别共有3种,如表1所示。
5.数据在McWiLL网络中的传输
电力数据在McWiLL网络中的传输是通过在Nucleus操作系统下完成的,通过调用AT指令来实现通信。其通信网络结构如图4所示。
Nucleus PLUS嵌入式操作系统是目前最受欢迎的操作系统。Nucleus PLUS是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核,其95%的代码是用ANSIC写成的,因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。从实现角度来看,Nucleus PLUS是一组C函数库,应用程序代码与核心函数库连接在一起,生成一个目标代码,下载到目标板的RAM中或直接烧录到目标板的ROM中执行。
四、结束语
本文对现有电力负荷管理终端产品及其通信方式进行了分析。针对现有终端产品中存在的价格较高、体积庞大、数据安全性考虑不多等不足,引入了McWiLL无线宽带通信技术。设计y--种符合电力负荷管理系统数据传输规约的Modem模块。该模块具有结构小巧、内部模块高集成化等特点。同时采用McWiLL无线网络技术保证了数据传输的可靠性、安全性、实时性,具有良好的推广价值。
参考文献:
[1]温斌,林波,刘昀,江连山,李晓茜,McWiL境带无线接入技术及应用[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[2]中华人民共和国国家电网公司电力负荷管理系统通用技术条件(q)aDW 129--2005)[M].北京:中国电力出版社,2006.
[3]中华人民共和国国家电网公司电力负荷管理系统数据传输规约(Q/GDW T50-2005)[M].北京:中国电力出版社,2008. (责任编辑:麻剑飞)